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Réseaux locaux sans fils

(Wireless LAN)

IEEE 802.11 WIFI

Alain AUBERT

alain.aubert@telecom-st-etienne.fr

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• Réseaux personnels sans fils (WPAN):

— Portée faible de quelques mètres à quelque dizaine de mètres

— Relier des systèmes informatiques très peu distant dans une même pièce

— Différentes technologies développés: – Bluetooth (IEEE 802.15.1):développé par Ericsson (liaison téléphone portable et oreillette) 1Mbits/s, consommation

faible – ZigBee IEEE (802.15.4): très bas prix, très faible consommation (jouets)

• Réseaux locaux sans fils (WLAN)

— Portée d'environ 100m avec des débits supérieurs ou égale à 10 Mb/s

— WiFi IEEE 802.11

• Réseaux métropolitains sans fils (WMAN)

— Portée de quelques kilomètres

— Réservés aux opérateurs de télécommunication

— Norme IEEE 802.16 (boucle locale radio en remplacement de la boucle locale filaire connexion d'abonnés): 10 km 10 Mb/s

— Wimax: 70 Mb/s 50 km

• Réseaux étendus sans fils (WWAN)

— GSM (Global System for Mobile)

— GPRS (General Packet Radio Service)

— UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Différentes catégories de réseaux sans fils fonction de leur zone de couverture géographique

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WIFI WIreless FIdelity

• Recherches sur les réseaux locaux sans fils depuis le début des années 1970.

• Normalisation WIFI: fin des années 1990.

• Avantages du sans fil

— Ne pas avoir à câbler un bâtiment.

— Plus de souplesse et de mobilité.

• Déploiement des réseaux WIFI

— Réseaux domestiques.

— En entreprise.

— Lieux de fort passage (‘hotspots’): gare ou aéroport

— Fournisseurs d’accès sans fils WISP ‘Wireless Internet Service Provider’

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WIFI Caractéristiques

• WIFI : un réseau local radio (médium partagé en bande de fréquences).

— Définition sur les deux niveaux physique (codage, modulation, synchronisation) et liaison (principalement accès au médium, contrôle d'erreurs, fragmentation, …)

• WIFI : deux organisations architecturales.

— Le mode infrastructure (centralisé).

— Le mode ad ’hoc (distribué).

• WIFI : deux protocoles différents d’accès au médium.

— PCF ‘Point Coordination Function’ (en coopération).

— DCF ‘Distributed Coordination Function’ (en compétition).

— Pouvant être utilisés simultanément par une station.

• WIFI : différents niveaux physiques selon le débit, le codage, la bande de fréquences utilisée.

— 802.11, 802.11a , 802.11b , 802.11g, en cours 802.11n.

• Consortium de développement : WIFI Alliance

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4

• LLC ‘ Logical Link Control ’:

— Protocole point à point

• MAC ‘Medium Access Control’:

— Accès au médium (partage de la voie commune

• PLCP ‘Physical Layer Convergence Protocol’:

— Encapsulation des trames MAC dans les trames physiques

• PMD ‘Physical Medium Dependent’:

— Techniques de codage, modulation et de synchronisation

WIFI Le modèle de référence

Liaison

Physique

LLC

MAC

PLCP

PMD

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Architecture générale

des réseaux sans fil

4

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WIFI Le mode ad 'hoc'

Approche répartie:

Communication de stations

géographiquement proche sur une base

égalitaire

IBSS ‘Independent Basic Service Set ’ :

Ensemble de stations avec coupleurs

sans fils, communicantes dans la même

bande.

Terminologie:

mode ad ’hoc (sans besoin d'équipement

particuliers)

‘peer to peer’ : d'égal à égal

Utilisation du Protocole DCF

(Distributed Coordination Function) au

sein d'un IBSS

IBSS

IBSS

Sta 5

Sta 2

Sta 3

Sta 4

Sta 6

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• IBSS: réseau sans fil constitué au minimum de deux

stations et n'utilisant pas de point d'accès.

• IBSS: réseau éphémère permettant à des personnes

situées dans une même salle d'échanger des

données.

• IBSS: identifié par un SSID

• IBSS: sa portée est déterminé par la portée de

chaque station.

— Cela signifie que si deux des stations du réseaux sont hors de

portée l'une de l'autre, elles ne pourront pas communiquer,

même si elles "voient" d'autres stations.

WIFI Le mode ad 'hoc': caractéristiques

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• - AP ‘Access Point’ commutateur.

• - Station de travail avec un coupleur WIFI.

• - BSS (Basic Service Set): un seul AP.

• ESS (‘Extended Service Set’) : plusieurs AP connectés par un autre réseau (réseau Ethernet ou sans fil).

• - Changement de point d’accès: handover/ roaming (itinérance).

AP

AP

BSS

BSS ESS

DS Système

de

distribution

WIFI Le mode infrastructure

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La couche physique

802.11

6

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Bandes de fréquences utilisées

• Bandes de fréquences “ISM ” (Industrie /Scientifique /Medicale), aucune

autorisation n’est nécessaire mais l’utilisation est mal régulée (interférences).

• Bande de fréquences “U-NII” (Unlicensed-National Information Infrastructure).

IEEE 802.11 a

902 928 2400 2483,5

26 Mhz 83,5 Mhz

5725 5825

100 Mhz

802.11 b et g

5150 5350 5725 5825

200 Mhz 100 Mhz 802.11 a

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Principaux standards utilisés

• IEEE 802.11 (1997) : 1 et 2 Mb/s (ISM 2,4 Ghz).

• IEEE 802.11b (1999) : 1, 2, 5.5, 11 Mb/s

(ISM 2,4 Ghz)

• IEEE 802.11a (2001) : 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s

(U-NII 5Mhz).

• IEEE 802.11g (2002) : 1,2, 5.5, 11,6, 9, 12, 18, 24, 36,

48, 54 Mb/s (ISM 2,4 Ghz) Compatible 802.11b

• IEEE 802.11n : débit théorique de 540 Mb/s sur 90m

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La sous couche MAC

802.11

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Généralités

• 2 modes d’accès au canal:

— DCF: mode d’accès par défaut organisant un accès à

compétition

— PCF: mode d’accès optionnel proche d’un mode à réservation

avec un contrôle centralisé géré par le point d’accès

• Accès au canal contrôlé par l’utilisation de silences

inter-trames (IFS: Inter Frame Spacing)

— DIFS: Distributed Coordination function IFS (50ms);

— PIFS: Point Coordination function IFS(30ms);

— SIFS: Short IFS (10ms)

Mécanisme de prioritisation à l’émission d’une trame

Chaque IFS correspond à la valeur de son précédent

augmentée du Slot_time défini dans l’algorithme de backoff (ici

20 ms)

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• Ecouter la voie, transmettre si la voie est libre.

• Si la voie est occupée choisir un temps d’attente

aléatoire (fonction de backoff) de N Slot_Time dans

l’intervalle [0,CW] (CW contention window).

• Décompter des intervalles de temps (tranche canal

‘Slot Time) quand le medium est libre.

• Le décompte est suspendu quand le médium

redevient occupé.

• Quand l’intervalle d’attente devient nul et que la voie

est libre commencer à émettre (une trame de données

ou de contrôle par exemple).

Principe du mode DCF Ecoute et attente

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Principe du mode DCF Diagramme d'écoute et attente

• Silence inter trame (IFS Inter-Frame Spacing)

— DIFS: Distributed Coordination function IFS (50ms);

— PIFS: Point Coordination function IFS(30ms);

— SIFS: Short IFS (10ms)

• Fenêtre de collision CW (‘Contention Window’)

• Tranche canal (‘Slot Time’) 20 ms

• Attente en nombre entier de tranches (‘Backoff’)

Une station veut émettre Autorisation d’émettre

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• Chaque message nécessite un acquittement ACK obligatoire après vérification de la disponibilité du support pendant un silence SIFS

• Mécanisme de réservation réduction les collisions — Toute trame émise contient une info sur la durée totale de transmission

(données +ACK)

— Toute station écoutant le support , à réception de cette info, positionne un temporisateur NAV(Network Allocation Vector) et s’interdit toute émission durant cet intervalle de temps

Principe de l’accès DCF, sans collision

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• Mécanisme de réservation tente de prévenir les collisions mais ne garantit que 2 stations n’émettront pas en même temps

• C’est la non réception de ACK qui informe la station de l’état de collision

• La station doit alors retransmettre le message dans son intégralité

• Durant l’état de collision, les stations n’ont pu positionner leur NAV (message altéré) délai d’écoute du support étendu à EIFS

Principe de l’accès DCF, avec collision

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• Cause principale de collision: phénomène de la station cachée

• B est à portée de A et de C, mais A et C ne se voient pas

• A écoute le support qui est libre et émet vers B

• C désire transmettre un message vers A. C hors de portée de A (station cachée) n’entend pas le message de A, considère que le support est libre et transmet ses données

les données de A et de C sont polluées

Mode DCF: problème de la station cachée

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• Un mécanisme optionnel permet à C d’être informé de l’intention de A

• A l’acquisition du support A émet une trame très courte RTS (Request to Send) ne contenant que l’info de réservation du support (NAV)

• A réception de la trame RTS B acquitte avec un CTS (Clear to Send)

• C à portée de B est informée que le support est occupé par A

• Mécanisme très efficace: trames RTS/CTS sont courtes probabilité de collision faible

• Cependant si trames de données de petites tailles mécanisme pénalise les performances existence d’un RTS Threshold (émission directe de trame si taille de la trame est inférieure à RTS Threshold)

Mode DCF: problème de la station cachée Principe de l’accès en mode RTS/CTS

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• Transmission hertzienne d’autant plus sensibles aux perturbations que la trame est grande

• Amélioration de la fiabilité mécanisme de fragmentation et de réassemblage diminution de la probabilité d’une trame erronée

• Amélioration du rendement de transmisssion retransmissison d’un fragment moins couteuse en bande passante

Mode DCF: mécanisme de fragmentation

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Protocole d’échange d’association d’une station à un point d’accès (AP) en mode passif

• En mode infrastructure, mécanisme d’association permet à une station d’être pris en charge par un AP

• Périodiquement un AP diffuse une trame balise (Beacon) contenant — Le nom du réseau SSID

— Les caractéristiques de celui-ci( débit, BSSID de l’AP et le ESSID)

• Une station possédant le même SSID (appartenant au même réseau) désirant se connecter — répond par une trame Probe request

— AP répond par un Probe reponse

— Station déclenche une authentification

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Protocole d’échange d’association d’une station à un point d’accès (AP) en mode actif

• C’est la station qui prend l’initiative de la connexion en émettant des trames Probe request contenant le nom du réseau auquel elle veut se connecter

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Les différentes trames MAC

• 3 types de trames utilisées:

— Les trames de données

— Les trames de contrôle de l’accès au support (RTS, CTS,ACK)

— Les trames de gestion comme les trames d’association

• Ces trame sont distinguées par le sous champs

Type (2 bits) et Sous type (4 bits) du champ Contrôle

de la trame MAC (FC)

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Différentes types de trames

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Format de la trame MAC

• FC (Frame Control): version de protocole, type de trame …etc.

• Durée / ID : Durée d'utilisation du canal de transmission.

• Champs adresses : Une trame peut contenir jusqu’à 4 adresses (mode ad’hoc adresse 1 destination et adresse 2 source).

• Contrôle de séquence : pour la fragmentation (numéro de fragment sur quatre bits et numéro de séquence de la trame sur douze bits).

• Corps de la trame : charge utile d’au maximum 2312 octets.

• FCS (Field Check Sequence): somme de contrôle de niveau MAC : x32+ x26+ x22+ x16+ x 2+ x11+ x10+ x8+ x7+ x5+ x4+ x2 + x+ 1

FC D/ID Adresse 1 Adresse 2 Adresse 3 Adresse 4

Corps de la trame FCS

2 2 6 6 6 6

Seq

2

0 à 2312 octets 4 octets

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• Version du protocole: Actuellement 0 en première version.

• Type et sous type: Définition du type de la trame (2 bits + 4 bits).

• To et From DS (Distribution System) : Trame vers ou en provenance du système de distribution (AP point d’accès). Les 2 bits à 0 mode Ad ’hoc.

• More : bit à 1 Il reste des fragments à émettre (bit more de la fragmentation).

• Retry: bit à 1 La trame est une retransmission d’une trame précédente erronée.

• Power management : A 1 la station entre en mode économie.

• More data : A 1 des données sont à émettre vers une station en économie.

• WEP : A 1 la trame est chiffrée en WEP (Wireless Equivalent Privacy).

Version (2 bits) Type (2 bits) Sous-type (4 bits)

To

DS (1)

From

DS (1)

More

Frag (1)

Retry

(1 bit)

Power

mngt (1)

More

data(1)

WEP

(1 bit)

Order

(1 bit)

Format de la trame MAC Zoom sur la zone contrôle de trame (FC)

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Utilisation des champs d’adresse